[科普中国]-量子网络

量子网络是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子网络。量子网络的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

历史20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子网络，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子网络中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子网络可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子网络对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子网络的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子网络中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

原理量子通信融合了现代物理学和光通信技术研究的成果，由物理学基本原理来保证密钥分配过程的无条件安全性。量子密钥分发根据所利用量子状态特性的不同，可以分为基于测量和基于纠缠态两种。基于纠缠态的量子通信在传递信息的时候利用了量子纠缠效应，即两个经过耦合的微观粒子，在一个粒子状态发生变化时，另一个会立刻发生相应的变化。

理论依据量子理论研究者很早就发现了开启量子通讯的钥匙——量子纠缠。量子纠缠描述了这样一个现象：两个微观粒子位于宇宙空间中的两边，无论相隔多远，只要这两个粒子彼此处于量子纠缠，则通过改变一个粒子的量子状态，就可以使非常遥远的另一个粒子状态也发生改变，信号超越了时空的阻隔，直接送达了另一个粒子那里。

这种神奇的现象和我们生活中所说的“心灵感应”很类似，两个相距遥远的人不约而同地想去做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着两个人。

这种理论上的超过通讯方式激起了量子科学家们的雄心壮志，他们试图建立起比现在的互联网快千万倍的量子网络。

问题量子粒子是脆弱，一点风吹草动就会让它丢失信息。由于测不准原理，任何观测都会使量子状态坍缩。所以，长期以来，量子网络只被当作科学幻想来看待。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子网络。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子网络的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子网络使计算的概念焕然一新，这是量子网络与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子网络的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。

发展世界上已有美国、欧洲、中国等多个研究小组和机构致力于量子通信网的研发。

2004年，中国科学技术大学潘建伟教授的科研团队首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输。

2005年，美国建成了DARPA量子网络1。其连接节点有3个，分别为美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学，目前延伸长度为10公里。

2008年8月，潘建伟团队研制20km级3方量子电话网络。2

来自12个欧盟国家的41个科研小组经过四年半时间，建立了SECOQC量子通信网络，并于2008年10月在维也纳现场演示了一个基于商业网络的安全量子通信系统。该系统集成了多种量子密码手段，包含6个节点。其组网方式为在每个节点使用多个不同类型量子密钥分发的收发系统并利用可信中继进行联网。

2009年，潘建伟团队在合肥构建和演示了一个4节点全通型量子通信网络。其中任意两个节点都可以互联互通、实时地产生不落地量子密钥，进而用来进行各种加密的数据、语音和多媒体通信等应用。此网络基于诱骗态量子通信方案，大大提高了安全通信的距离和密钥产生速率，同时保证了绝对安全性。3其最近的两个通信节点超过16km。每个节点可工作在全双工模式，即同时作为量子信号发射和接收方进行量子通信。

截止2009年，点对点的两方量子通信技术已经比较成熟, 科学家和技术人员利用光量子态已经能够实现几十公里到百公里级的两方量子密钥分发系统。 为了拓展应用，需对点对点的通信方式进行组网，满足多用户的通信需要。为了与现有通信系统兼容以及大量减少成本，量子通信网还将充分利用经典通信设施，如现有光纤网络。

2014年11月15日，中国研发的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录。

2016年8月16日，中国发射全世界首颗量子科学实验卫星。截至2017年8月，已完成了包括千公里级的量子纠缠分发、星地的高速量子秘钥分发，以及地球的量子隐形传态等预定的科学目标。

2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线“京沪干线”正式开通。当日结合京沪干线与“墨子号”量子卫星，成功实现人类首次洲际距离且天地链路的量子保密通信。干线连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长2000余公里，全线路密钥率大于20千比特/秒可同时供上万用户密钥分发。4

应用中国“金融信息量子通信验证网”在北京开通，计划依托于京沪干线执行两大金融重镇间的保密，在世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。

另有“济南党政机关量子通信专网”是第一个党政机关网，可供百平方公里的近200个终端进行保密通信，用户之间的通信实现了每秒产生4000多个密码。济南量子科学研究院院长助理周飞参与了整个济南专网的建设，并世界上首次应用于公检法部门，例如在检察院系统，对一些贪腐案件调查进行信息沟通时，通过量子通信电话可以保证信息安全性，不存在泄露或窃听；能够实务应用的关键是室温下通信波段单光子探测器的研发成功。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所